什么樣的充電方式最好？電動(dòng)汽車電池組快速充電研究

2 本文采用的充電方式

對(duì)以上各種傳統(tǒng)充電方法的特點(diǎn)相比較可以看出, 每一種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn). 電動(dòng)汽車電池組對(duì)充電過(guò)程要求很高, 既要要求安全充電, 盡可能延長(zhǎng)電池使用壽命, 又必須滿足快速充電的特點(diǎn),快速、高效、安全、長(zhǎng)使用壽命這幾項(xiàng)指標(biāo)都必須達(dá)到, 綜合每一種充電方法的優(yōu)點(diǎn), 本文在傳統(tǒng)充電方式上做了變形和改進(jìn), 提出了限壓變流脈沖充電方法。

限壓變流脈沖充電方法的特點(diǎn)是, 將恒流/恒壓充電方式的恒流充電階段改為變流脈沖充電,這一階段電流的大小符合變流充電的特點(diǎn), 初期電流較大, 盡量逼近充電可接受電流, 以保證電池獲得足夠電流, 同時(shí),采用脈沖式充電電流, 有效抑制極化效應(yīng), 減緩電池內(nèi)壓升高, 減小內(nèi)阻. 后期采用恒壓充電方式, 以獲得過(guò)充電量。

3 研究電池組均衡充電的意義 電動(dòng)汽車用鋰離子電池組通過(guò)多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)以獲得高輸出電壓. 由于各單體電池在生產(chǎn)制造和使用過(guò)程中電池特性必然存在差異, 造成這種差異的原因有: 在生產(chǎn)過(guò)程中, 由于加工工藝等原因, 同批次電池的容量和內(nèi)阻都可能存在差異; 使用過(guò)程中由于溫度等差異造成電池使用不平衡; 不同電池之間的放電情況存在差異, 長(zhǎng)時(shí)間累積, 造成電池狀態(tài)的不平衡. 長(zhǎng)期使用必將導(dǎo)致各電池的容量、內(nèi)阻、端電壓等參數(shù)不均衡, 從而影響整個(gè)電池組的實(shí)際容量, 縮短壽命, 造成浪費(fèi), 增大成本。

和其他電池相比, 鋰離子電池幾乎沒(méi)有耐過(guò)充的能力, 在電池荷電狀態(tài)已滿時(shí), 若繼續(xù)充電,電池的電壓將繼續(xù)升高. 電壓過(guò)高會(huì)造成鋰離子在負(fù)極積累, 解析出金屬鋰, 使電池的蓄電能力喪失, 而且這一過(guò)程是不可逆的, 同時(shí), 電解液發(fā)生電解, 析出氫氣和氧氣, 伴隨著大量熱量的產(chǎn)生,電池溫度逐漸升高, 氫氣和氧氣有可能發(fā)生爆炸.因此, 鋰電池切不可過(guò)充電, 否則會(huì)給電池造成致命的損壞或造成安全事故. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明, 過(guò)充電將嚴(yán)重減少電池的充電循環(huán)次數(shù)。

因此, 在對(duì)串聯(lián)電池組進(jìn)行充電時(shí), 不能通過(guò)過(guò)充的方式使各單體電池達(dá)到性能均衡. 若以容量大的電池充滿為依據(jù), 必然導(dǎo)致容量小的電池過(guò)充電, 損害電池; 若以容量小的電池充滿為依據(jù), 必然導(dǎo)致容量大的電池欠充電, 這兩種方式都不能達(dá)到均衡狀態(tài). 同樣在放電過(guò)程中, 若以容量大電池放電結(jié)束為依據(jù), 必然導(dǎo)致容量小的電池過(guò)放, 若以容量小的電池放電結(jié)束為依據(jù), 容量大的電池的電量還將剩余大部分電量,不能得到充分利用. 電動(dòng)汽車電池組需要頻繁的充放電, 隨著充放電次數(shù)的增多, 將形成惡性循環(huán), 各電池的不均衡將加劇, 造成整個(gè)電池組性能明顯惡化。

為應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題, 就要在充電過(guò)程中, 通過(guò)某種方法, 使充電完成時(shí)電池組的所有電池都能充滿電, 達(dá)到均衡狀態(tài), 實(shí)現(xiàn)均衡控制。

4 電池組充電均衡控制研究 目前均衡控制的方法, 按照能耗主要分能量耗散式、能量轉(zhuǎn)換式、能量轉(zhuǎn)移式。

能量耗散式是指將電池組中電壓較高的電池進(jìn)行放電來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡. 常使用的方法是電流分流法. 分流法是將每一個(gè)電池并聯(lián)一個(gè)分流電阻, 并通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制, 在充電過(guò)程中, 當(dāng)某個(gè)電池電壓偏高時(shí), 其分流開(kāi)關(guān)閉合, 電池進(jìn)行分流. 這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn), 缺點(diǎn)是分流電阻始終在損耗功率, 能效低, 而且產(chǎn)生熱量比較大. 電動(dòng)汽車需要考慮能效的問(wèn)題, 否則無(wú)法大規(guī)模推廣, 顯然, 這種均衡方法不適用. 能量轉(zhuǎn)換式主要有兩種, 一種是將電池組的整體電壓向饑餓的單體電池進(jìn)行補(bǔ)充, 另一種是將單體電壓向整體電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化. 常用的有線圈能量轉(zhuǎn)換法, 利用變壓器將能量補(bǔ)充給饑餓的電池, 有開(kāi)關(guān)式、共享式、獨(dú)立式三種結(jié)構(gòu), 線圈能量轉(zhuǎn)換法對(duì)充電電流進(jìn)行均衡, 充電速率很快, 但在大量電池串聯(lián)充電時(shí), 其缺點(diǎn)就突顯出來(lái)了, 這時(shí)需要大量的變壓器, 磁場(chǎng)損耗大, 均衡設(shè)備的體積很大, 效率變低. 因此, 這種方法對(duì)電動(dòng)汽車電池組充電也不適用。

能量轉(zhuǎn)移式是利用電容或電感等儲(chǔ)能元件將能量進(jìn)行傳遞, 在充電過(guò)程中, 電池組中容量低的電池端電壓會(huì)比其他電池高, 這時(shí)容量低的電池會(huì)對(duì)容量高的電池充電. 常用的有電容法和電感法。

電容式均衡電路是通過(guò)MCU 控制開(kāi)關(guān)的切換, 先由電壓最高的電池向電容充電, 充滿后切換開(kāi)關(guān), 由電容向電壓低的電池充電, 并多次重復(fù)這個(gè)過(guò)程. 這種均衡電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積可以做的很小, 缺點(diǎn)是需要大量的電力電子開(kāi)關(guān)器件, 損耗大, 需要的時(shí)間也較長(zhǎng), 因此不適宜電動(dòng)汽車電池組充電。

電感式相鄰均衡電路的原理是每一個(gè)電池都并聯(lián)一個(gè)電感, 檢測(cè)比較相鄰兩個(gè)電池B1、B2 的電壓, 若B1 電壓較高, 由MCU 控制PWM 輸出信號(hào)的占空比來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件, 使B1 能量?jī)?chǔ)存在電感, 并對(duì)公共電容充電, 然后將能量傳送給B2;反之, 若B2 電壓較高, PWM 輸出的占空比變化,使能量由B2 流向B1. 這種均衡電路的特點(diǎn)是效率高, 速度快, 體積小, 缺點(diǎn)是控制算法比較復(fù)雜。

通過(guò)對(duì)以上各種均衡方法的特點(diǎn)相比較, 本文認(rèn)為電感式均衡電路較適用于電動(dòng)汽車電池組充電均衡. 電動(dòng)汽車電池組具有大規(guī)模串聯(lián)的特點(diǎn), 因此, 本文在電感相鄰均衡電路的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了大規(guī)模串聯(lián)電池組的電感式均衡控制電路( 如圖3) , 實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)各電池之間的電量轉(zhuǎn)移,達(dá)到均衡的目的。

系統(tǒng)中, 及時(shí)檢測(cè)電池組中各電池的狀態(tài)信息, 送入MCU 中, 通過(guò)算法處理, 控制PWM的輸出, 驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷. 當(dāng)某個(gè)電池電壓較高時(shí), 相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通, 電池將能量?jī)?chǔ)存到相應(yīng)的電感中, 當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后, 能量轉(zhuǎn)移到下游的電池, 多余能量轉(zhuǎn)移到公共電容上并回饋給充電電路。

5 鋰離子電池組充電電路設(shè)計(jì) 在以上研究的基礎(chǔ)上, 本文設(shè)計(jì)了一種基于限壓變流脈沖充電方法的具有均衡功能的充電系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用MCU 進(jìn)行控制, 對(duì)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行采樣, 送入MCU 中, 并通過(guò)一定的算法, 控制PWM 輸出信號(hào)的占空比, 控制脈沖充電電流, 控制均衡電路的開(kāi)關(guān)器件, 實(shí)現(xiàn)均衡充電, 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下。

6 總結(jié) 本文在通過(guò)對(duì)多種傳統(tǒng)充電方式的研究, 綜合各種方式的優(yōu)點(diǎn), 提出了限壓變流脈沖充電方式, 使實(shí)際充電電流接近充電可接受電流, 縮短充電時(shí)間, 并有效防止極化, 快速、高效、安全. 同時(shí),應(yīng)對(duì)電池組中單個(gè)電池狀態(tài)不均衡的問(wèn)題, 進(jìn)行了均衡控制研究, 使電池組內(nèi)電量相互轉(zhuǎn)移, 保證在充電結(jié)束時(shí)各電池達(dá)到均衡狀態(tài), 并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電池組充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。